독일에 본사를 둔 훼스토(FESTO)는 공압 업체로 출발해 자동화업체로 사업을 확대발전시켜 나가고 있는, 대표적인 글로벌 산업 자동화 업체다.

이 훼스토가 일반적인 자동화업체와 차별화되는 점은 두 가지다.

첫 번째는 자연으로부터 얻은 영감을 제조 자동화분야에 적용시켜 나가고 있다는 점으로, 훼스토는 개미로봇을 비롯해서, 캥거루로봇, 잠자리로봇, 해파리로봇 등, 생물을 모방한 다양한 로봇을 개발해 선보이고 있다. 두 번째는 수익사업 외에 교육 분야에 집중해 혁신적이고 지능적인 솔루션을 지속적으로 선보이고 있다는 점으로, 현재 인더스트리 4.0에 준하는 스마트 팩토리 교육 플랫폼을 생산하고 있다. 한국에서도 올해 초 개최된 ‘SEMICON 2017’에서 ‘CP(Cyber Physical) Factory’라는 데모를 선보여, 큰 화제와 인기를 끌어 모은 바 있다.

생체모방 로봇 분야에서 독보적인 기술력을 확보하고 있는 훼스토가 지난 8월 10일부터 15일까지 일산 킨텍스에서 열린 ‘제21회 대한민국과학창의축전’에서 갈매기를 모방한 ‘스마트버드(Smart Bird)’와 해파리를 모방한 ‘에어젤리(Air Jelly)’를 시현하면서, 참관객들의 탄성을 자아냈다.

훼스토는 현재, 지멘스 등과 함께 인더스트리 4.0을 주도하고 있는 대표적인 기업이라는 점에서도 주목을 받고 있는데, 훼스토의 이러한 독특한 연구개발전략이 미래의 자동화 패러다임을 어떻게 바꿀 수 있을 것인지 공압 및 로봇, 자동화 업계의 관심이 집중되고 있다.

<취재 최교식 기자cks@engnews.co.kr>

갈매기로부터 영감을 받아 생체공학적 기술을 통해 구현된 스마트버드는 총중량 450g으로 , 이륙 및 비행추진 기능을 통합하고 있다. 에어젤리는 원격 라디오 컨트롤이 가능한 공중 해파리로, 중앙 전기 드라이브 유닛과 지능형 적응 메커니즘으로 이루어져 있다.

훼스토는 공압 및 전기 드라이브 등 공장자동화 솔루션 및 스마트 팩토리 교육 플랫폼 분야의 세계적인 기업이다. 공압 드라이브를 비롯해서 전기 드라이브, 밸브, 컨트롤러 및 전기 주변장치, 센서 및 비전시스템 등 3만 여 종의 공압 및 전기전자 제품과 인더스트리 4.0에 준하는 스마트 팩토리 교육 플랫폼을 생산해 공급하고 있다.

별도의 운전 메커니즘 없이 자율적으로 이륙, 비행 및 착륙할 수 있는 스마트버드(SmartBird)

이번 전시회에서 선보인 스마트버드(SmartBird)는 우수한 공기역학적 자질과 민첩성을 가진 초경량의 강력한 비행 모델이다. 훼스토는 이 스마트버드를 통해 인류의 오랜 소망 중 하나인 새의 비행 메커니즘을 풀어내는데 성공했다.

갈매기로부터 영감을 받아 생체공학적 기술을 통해 구현한 스마트버드는 별도의 운전 메커니즘 없이 자율적으로 이륙, 비행 및 착륙을 할 수 있다는 것이 특징으로, 스마트버드의 날개는 상하 움직임뿐만 아니라, 복합 제어시스템의 결합을 통해 특정 각도로 비틀어서 움직일 수 있다. 이로 인해 우수한 비행 작동 효율성을 확보하게 됐다. 이를 통해 훼스토는 자연으로부터 착안한 에너지 효율적 비행 모델을 자동화 모델에 적용하는데 최초로 성공했다.

머리 및 날개의 위아래 움직임과 날개각도의 조절 제어에 전기모터와 맞춤형으로 개발된 서보모터, 컨트롤러가 적용된다.

바다 속 해파리의 움직임을 비행체의 추진원리에 적용한 에어젤리(AirJelly)

바다 속 해파리가 공기 중을 떠다닐 수는 없을까? 에어젤리는 이러한 질문을 바탕으로 개발이 시작됐다고 한다.

수중생물의 추진 메커니즘을 비행 분야의 드라이브 유닛에 적용하려는 시도로 시작된 프로젝트에 의해 기낭이 전기활성 폴리머로 코팅된 비행선 콘셉트가 공개됐다. 물고기가 헤엄치듯 공기 중을 떠다닐 수 있는 비행선으로, 원격 라디오 컨트롤이 가능한 공중 해파리인 이 에어젤리는 중앙 전기 드라이브 유닛과 지능형 적응 메커니즘으로 이루어져 있다. 에어젤리의 기낭은 직경 1.35m로, 1.3m3의 헬륨가스가 충전된다. 헬륨가스 1m3의 부력으로는 약 1kg을 들어 올릴 수 있기 때문에, 에어젤리의 총 무게는 기낭과 컴포넌트를 합쳐1.3kg 이내여야 한다.

에어젤리는 연동 모션 드라이브를 이용한 최초의 실내 비행체로, 훼스토는 추진시스템에 있어 중앙 전기 드라이브 유닛과 지능형 메커니즘의 조합이 열어줄 가능성을 제시하고 있다.

<현장 인터뷰>

“자연을 벤치마킹 하면 이전과는 전혀 다른, 새로운 각도의 자동화 솔루션을 실현할 수 있어”

FESTO Nils Schlenther(왼쪽)ㆍMarkus Schäffer(오른쪽)

-훼스토가 생체모방 기술에 관심을 갖는 이유는 무엇인가?

▲훼스토는 자동화 시스템을 구현함에 있어서 가장 기본적이며, 동시에 핵심적인 기능인 모션, 제어, 프로세스, 진단의 메커니즘이 생태계에도 존재함을 발견하게 됐다. 자연의 생태계는 이미 직관적이고, 간단하며, 에너지를 효율적인 방법으로 이용하고 있다. 훼스토는 이러한 자연에 존재하는 메커니즘을 연구하여 이를 자동화에 접목시켜왔다.

자연에서 발견한 이러한 효율적 측면들은 ‘생체 공학’이라는 생물학과 공학의 연결을 통해 기술과 접목되며, 생체 공학은 기술의 혁신성을 추구하는 기업의 프로세스에 적용될 수 있다.

생체 공학은 기술적 문제에 대해 이전에는 한 번도 생각해보지 못했던 솔루션을 제시하며, 엔지니어가 창의적으로 연구, 개발할 수 있는 영감을 불러일으킨다.

-바이오닉스(Bionics) 기술이 어떻게 FA에 적용이 될 수 있나?

▲앞서 얘기했듯이, 우리에게 주어진 자원과 에너지는 한정적이다. 자연의 창의적인 방법을 산업에 도입하면, 이러한 제한 안에서 안정적인 프로세스와 최소한의 자원 사용, 초경량 구조를 통해 효율적으로 자원과 에너지를 소비할 수 있는 힌트를 얻을 수 있다. 생물의 움직임의 원리에 착안해서 기능통합이나, 자연에 착안한 초경량 소재도 개발할 수 있다. 자연을 벤치마킹 하면 이전과는 전혀 다른, 새로운 각도의 자동화 솔루션을 실현할 수 있게 된다.

따라서 훼스토는 실제 FA에 적용할 수 있는 자연의 원리로는 어떤 것이 있는지 그 연계고리를 찾는데 주력하고 있다. 그 하나의 예가 코끼리 그리퍼로, 이 코끼리 그리퍼는 자연에서 영감을 얻어 개발된 제품이 실제로 상용화된 사례에 해당한다.

생체모방의 특정기능이나 부품이 어디에 가능한지 파트별로 적용해서 연구하는 데는 5년에서 7년이 걸린다. 다른 내로라하는 세계적인 자동화 기업들도 우리가 진행하고 있는 이런 생체모방 로봇에서 비롯되는 아이디어 프로세스에 관심을 갖고 있으며, 영감을 얻고 있다.

-훼스토뿐만 아니라, 구글 등 많은 기업과 연구소들 역시 생체모방 기술에 관심을 갖고 연구를 진행하고 있는데, 훼스토는 그들과 어떤 점이 다른가?

▲훼스토 만큼 바이오닉스에 관심을 가지고 있는 기업은 드문 것으로 알고 있다. 훼스토는 바이오닉스(Bionics: 생물을 대상으로 하는 공학) 분야 연구를 위해 전 세계 유수의 대학, 연구소, 개발사들과 연계해 리서치 컨소시엄인 ‘바이오닉스 러닝 네트워크(Bionics Learning Network)’를 만들어 매년 한 개 이상의 바이오닉스 제품을 개발, 현재까지 약 30여 개의 로봇과, 로봇은 아니지만 비슷한 콘셉트를 가진 미래지향적인 제품을 개발해 왔다.

-오늘 시현하고 있는 스마트버드는 어떤 원리로 움직이나?

▲날개는 두 가지 기본적인인 원칙으로 움직인다. 우선 위아래로 움직이며, 동시에 레버 구조 메커니즘을 통해 몸통에서부터 날개 끝에 이르는 움직임의 각도를 유지한다.

또한 비행하고자 하는 방향에 맞춰 날개 각도를 조절, 제어한다. 그리고 본체에 탑재된 전자 조정 시스템을 통해 날개가 비틀어지는 각도와 위치를 정밀하고 효율적으로 제어한다. 이를 위해 강력한 초소형 컨트롤러가 각각의 날개에 필요한 최적의 날개 각도를 계산, 이를 모터에 설정한다. 실시간으로 스마트버드의 상태, 예를 들면 날개의 위치와 각도가 모니터되며, 양방향 무선통신을 통해 배터리 충전, 전력소모와 같은 동작정보가 조정자에게 전달된다.

-구체적으로 어떤 제품들이 적용이 됐나?

▲머리와 꼬리제어를 위해 한 개의 전기모터와 4개의 서보모터가 적용이 됐다. 4개의 서보모터 가운데, 2개는 꼬리를 좌우로 움직여서 방향을 제어하는 기능과 상하로 움직이면서 방향을 제어하는 기능을 한다. 나머지 2개는 날개를 뒤틀면서 각도를 조절하고 제어하는데 사용이 되고 있다.

이 서보모터들은 스마트버드만을 위해 특별하게 개발된 제품으로, 시중의 서보모터들은 이러한 움직임을 하기에는 용량이 작고, 무게가 무겁다. 연구진은 이 스마트버드를 위해 서보모터를 맞춤형으로 개발해 제작을 했다.

서보모터 하나의 무게가 6kg인데, 서보모터가 핸드링할 수 있는 무게는 최대 4kg까지다.

소재도 내장재는 탄소섬유인 카본 파이버(Carbon-Fiber), 몸체는 폴리우레탄을 사용해 경량화를 실현했다.

-에어젤리의 구동원리에 대한 설명도 부탁한다.

▲에어젤리는 원격 라디오 컨트롤이 가능한 공중 해파리로서, 8개의 촉수와 추로 이루어져있으며, 중앙 전기 드라이브 유닛과 지능형 적응 메커니즘으로 이루어져 있다.

에어젤리의 기낭은 직경 1.35m로, 1.3m3의 헬륨가스가 충전이 된다.

에어젤리에 들어간 리튬이온 폴리머 배터리 2개는 완충까지 30분이 소모되며, 에어젤리의 유일한 전력공급원이다. 배터리에 연결된 중앙 전기 드라이브 유닛이 동력을 베벨기어로 전달하고, 이는 다시 8개의 스퍼기어에 차례로 전달된다. 스퍼기어의 동력을 샤프트 8개가 움직여 각각에 연결된 크랭크를 구동하면 최종적으로 에어젤리의 촉수 8개가 움직이게 된다. 촉수는 물고기 지느러미의 구조를 착안한 Fin Ray Effect를 바탕으로 설계됐다. 촉수구조는 각각 장력과 압력을 담당하는 2개의 플랭크와 이를 연결해주는 뼈대로 이루어져 있다. 구조의 기하학적 특성 덕분에 플랭크에 압력이 가해지면 해당방향으로 구부러진다. 이를 통해 해파리와 유사한 연동운동을 구현하게 된다.

3차원 공간에서의 에어젤리 모션 컨트롤은 무게이동을 통해 이루어진다. 길이 55cm의 추 각각에 연결된 2개의 액추에이터가 X, Y 방향 움직임을 한다. 액추에이터는 에어젤리의 북극(Y극)에 연결되어 비례제어 된다. 추가 움직이는 방향에 따라 에어젤리의 자유로운 3차원 운동이 가능해진다.

연동운동을 기구 추진력으로 이용하는 시도는 비행 역사상 전례가 없다. 따라서 에어젤리는 연동 모션 드라이브를 이용한 최초의 실내 비행체다. 에어젤리에 사용된 새로운 추진개념은 바로 자연을 관찰한 것에서 시작됐다. 훼스토는 경항공기 추진시스템에 있어 중앙 전기 드라이브 유닛과 지능형 메커니즘의 조합이 열어줄 가능성을 제시하고자 한다.

-생체모방 로봇이 인더스트리 4.0에 어떻게 기여할 수 있다고 보나?

▲하나의 예를 들면, 바이오닉 러닝 네트워크(BLN)를 통해 개발된 이모션버터플라이(eMotion Butterflies)는 GPS시스템의 신호를 받아 카메라에 포착된 영상으로 공간을 자유롭게 비행할 수 있는 기능을 가지고 있다. 서로 부딪히는 것을 방지하기 위해 적외선 센서를 부착하고 실제 나비가 날개 짓을 하는 것과 같은 움직임을 주기위해 모터가 장착되어 있다. 로봇 나비의 날개 길이는 20인치로 초당 2.5m를 비행할 수 있으며, 3분에서 4분 동안 충전 없이 날 수 있다.

이 로봇 나비는 총 10대가 동시에 이동을 하는데, 이를 통해 머신과 머신 간 커뮤니케이션, 머신과 운전자 간의 원활한 통신을 보여주는 사례라고 할 수 있다. 이런 기술이 바로 인더스트리 4.0이나 FA에 유연하게 적용될 수 있을 것으로 생각한다.

-바이오닉스 러닝 네트워크(BLN)에서는 현재 어떤 프로젝트를 연구하고 있나?

▲진행 중인 프로젝트는 극비사항이다. 현재 3 가지 정도의 프로토타입을 개발 중인데, 내년 2월경이면 얘기할 수 있을 것 같다.

-전 세계 생태모방 로봇 시장규모를 어떻게 추정하나?

▲생체모방 로봇은 판매용이 아니기 때문에 시장규모를 얘기하기는 어렵다. 생체모방 로봇은 FA나 로봇과 관련한 아이디어를 창안할 수 있는 매개체라고 보는 것이 맞다.

-훼스토는 생체모방 로봇의 핵심 기술을 가진 기업인가?

▲물론이다. 훼스토만큼 생체모방 기술을 처음부터 끝까지 연구하고, 구현하는 기업은 없다고 본다.